JPH02228042A - 薄膜半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、絶縁性透明基板等のような非晶質絶縁基板あ
るいは絶縁膜上に形成される多結晶半導体薄膜を用いて
作成される薄膜トランジスタ等のような薄膜半導体装置
の製造方法に関する。

［従来の技術］ 非晶質シリコン薄膜あるいは多結晶シリコン薄膜等のよ
うな非単結晶半導体薄膜には、ダングリングボンドが多
数存在する。たとえば、多結晶シリコン薄膜に関しては
、結晶粒界に存在するダングリングボンド等の欠陥が、
キャリアに対するトラップ準位となりキャリアの伝導に
対して障壁として働＜、　　（Ｊ、　　Ｙ、　　Ｗ、　
　５ｅｔｏ、　　Ｊ、　　Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、、４６
．ｐ５２４７　（１９７５））、従って、多結晶シリコ
ン薄膜トランジスタの性能を向上させる為には、前記欠
陥を但減させる必要がある。　（Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙ
ｓ、、５３　（２）、Ｐ１１９３（１９Ｂ２））、　　
この目的の為に水素による前記欠陥の終端化が行われて
おり、その主な方法として、水素プラズマ処理法、水素
イオン注入法、あるいはプラズマ窒化膜からの水素の拡
散法等が知られている。水素イオン注入法においては、
イオン注入装置と言う高価な装置を必要とする欠点を有
しており、プラズマ窒化膜からの水素の拡散法において
は、必要としない窒化膜が成膜されると言う欠点を有す
る。従って、水素プラズマ処理法が最も優れた方法であ
る。（Ｔ。

１、Ｋａｍｉｎｓ、ＩＥＥＥ　　ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅ
ｖｉｃｅ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　　Ｖｏｌ、　　ＥＤＬ
−１，Ｎｏ、　　８．　　ｐ１５９．　　（１９８０）
）。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来の様に、結晶化率の小さい非単結晶半導体
薄膜を用いた薄膜トランジスタに水素を添加しても、そ
の効果は小さかった０例えば、前記欠陥を終端化するた
めには、非晶質シリコン膜では約１０ａｔｏｍｉｃ％の
水素が必要である。

多結晶シリコン膜の場合でも、結晶性の悪い膜では数ａ
ｔｏｍｉｃ％の水素を導入する必要がある。

多結晶シリコン薄膜トランジスタのＯＮ電流工。。は次
式で表される。

１、。ｃｅ　　ｌ　・　ｅｘｐ　（−Ａ−Ｎｔ２　／ｋ
Ｔ）ここで１は結晶粒径、Ｎｔは結晶粒界に存在するＴ
ｒａｐ密度、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ａは比例
定数を表している。　（Ｊ、Ｌｅｖｉｎｓｏｎ、Ｊ、Ａ
ｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、　　５３　（２）、　　ｐ１１９３
、　　（１９８２））、　　前記水素を添加して欠陥を
低減させると言うことは、　（１）式においてＮｔを小
さくすることである。このことから、はじめからＮｔの
小さな多結晶シリコンを用いれば小量の水素を導入する
だけで大きな水素添加効果が実現されることがわかる。

水素を全く含まない多結晶シリコン薄膜はｐ型のような
振舞いをするが、水素を添加してＮｔを低減させると、
ｎ型側に変化する。　（参考文献Ｔ、Ｍａｋｉｎｏ　　
ａｎｄ　　Ｈ，Ｎａｋａｍｕｒａ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ
、Ｌｅｔｔ、３５　（７）。

１　０ｃｔｏｂｅｒ　　ｐ５５１　　（１９７９））実
際に、水素添加非晶質シリコン（ａ−８ｉ：Ｈ）は、Ｎ
型的である。また、未添加多結晶シリコン薄膜を用いた
Ｎチャネル薄膜トランジスタに、水素を添加すると、デ
プレッション方向にシフトする。Ｐチャネル薄膜トラン
ジスタに水素添加すると、エンハンスメント方向にシフ
トする。

本発明は、この様な従来の水素添加処理に伴う問題点を
解決し、優れた特性を有し、信頼性の良好な薄膜トラン
ジスタを提供することを目的としている。

ＳｉＯ２はシリコン界面にｎ型反転層を形成したが、Ａ
ｌ２Ｏ３は逆にｐ型反転層を形成する傾向にある。すな
わち、膜の中に含まれる有効な電荷の符号が逆であると
考えることができ、ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３を適当な膜厚
で多層構造として用いることにより、界面電荷を実効的
に制御することが可能になる。　（参考文献、物理工学
実験３、半導体技術　下、東京大学出版会）　このこと
を利用して水素添加処理に伴う問題点を解決する。

［課題を解決するための手段］ 本発明の薄膜半導体装置の製造方法は、非晶質絶縁基板
上に、多結晶シリコン薄膜を形成する第１の工程と、該
多結晶シリコン薄膜上に酸化膜を形成する第２の工程と
、前記酸化膜・上にアルミナ膜を堆積させる第３の工程
と、前記多結晶シリコン薄膜に水素を添加する第４の工
程を、上記の順序により少なくとも有することを特徴と
する［実施例１］ 本発明による薄膜トランジスタの製造方法の実施例１を
、第１図の工程図にしたがって説明する。

同図（ａ）において、非晶質絶縁基板１−１上に、非単
結晶シリコン薄膜を堆積させ、ホトリソグラフィ法によ
り島状非単結晶シリコン薄膜１−２を形成する。前記シ
リコン薄膜の形成方法としては次に述べるような方法が
ある。減圧ＣＶＤ法、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　
　Ｂｅａｍ　　Ｅｐｉｔａｘｙ）、等の方法では多結晶
シリコン薄膜が堆積させられる。ＥＢ　（Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ　　Ｂｅａｍ）蒸着法、スパッタ法、プラズマＣＶ
Ｄ法、光励起ＣＶＤ法、等の方法では非晶質シリコン薄
膜が堆積させられる。一方、前記減圧ＣＶＤ法において
は、デボ温度を約５５０°Ｃ以下にすれば非晶質シリコ
ン薄膜が堆積させられる。ここで、レーザーアニール法
や固相成長法などにより再結晶化させると、前記非単結
晶シリコン薄膜１−３の結晶性はより改善される。前記
非晶質絶縁基板としては、石英基板あるいはガラス基板
などがある。

ＳｉＯ２で覆われたＳｉ基板を用いることもある。

石英基板あるいは５ｉ０２で覆われたＳｉ基板を用いる
場合は１２００℃の高温プロセスにも耐えることができ
るが、ガラス基板を用いる場合は軟化温度が低いために
約６００℃以下の低温プロセスに制限される。

次に同図（ｂ）に示すようにゲート酸化膜１−３を形成
する。該ゲート酸化膜の形成方法としてはＬＰＣＶＤ法
、あるいは光励起ＣＶＤ法、あるいはプラズマＣＶＤ法
、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、あるいは高真空蒸着法、あ
るいはプラズマ酸化法、あるいは高圧酸化法などのよう
な低温でも形成可能な方法がある。これらの方法で形成
されたゲート酸化膜は、熱処理することによってより緻
密で界面準位の少ない優れた膜となる。非晶質絶縁基板
１−１として石英基板を用いる場合は、熱酸化法による
ことが出来る。該熱酸化法には、ドライ酸化法とウェッ
ト酸化法とがある。　ドライ酸化法を用いれば酸素雰囲
気で約１１５０℃の熱処理によって、破壊耐圧の高い良
質のゲート酸化膜を得ることができる。ウェット酸化法
を用いれば９００℃程度の低温でも酸化膜が形成される
が、ドライ酸化法で形成された膜に比べれば破壊耐圧は
低く、膜質は劣る。この酸化工程により前記非単結晶シ
リコン薄膜１−２は、熱処理による結晶成長が進み、多
結晶シリコン薄膜１−２となる。

前記非単結晶シリコン薄膜１−２として多結晶シリコン
薄膜を用いた場合には、前記酸化工程後の多結晶シリコ
ン薄膜１−２の結晶粒径は２０００人〜３０００人程度
程度きさとなる。前記非単結晶シリコン薄膜１−２とし
て非晶質シリコン薄膜を用いた場合には、前記結晶粒径
は５０００Ａから数μｍの大きさにさらに結晶成長する
ことが知られている。

続いて同図（Ｃ）に示すように前記ゲート酸化股上に、
アルミナ膜（Ａ１２０３）１−４を堆積させる。アルミ
ナ膜形成方法には低温形成法と高温形成法とがある。低
温形成法には、Ａｌの有機化合物（トリメチルアルミニ
ウムまたはトリイソブチルアルミニウム）を、２００℃
〜４５０℃で分解させて形成する方法がある。高温形成
法には、ＡｌＣｌ３　　Ｃ０２−Ｈ２系を利用する方法
がある。

通常８００℃〜９００℃で硬いＡｌ２Ｏ３が析出する。

この方法で析出された膜は結晶化のかなり進行した多結
晶膜である。

水素プラズマ処理により、Ｎチャネル薄膜トランジスタ
のｖｔｈはデプレッション方向に、Ｐチャネル薄膜トラ
ンジスタのｖｔｈはエンハンスメント方向にそれぞれ約
１ボルトシフトする。従って、初期的に、Ｎチャネル薄
膜トランジスタのＶｔｈはエンハンスメント側に、Ｐチ
ャネル薄膜トランジスタのｖｔｈはデプレッション側に
それぞれ１ボルトシフトするように、前記ゲート酸化膜
とアルミナ膜の膜厚を設定する。

次に同図（ｄ）に示すようにゲート電極１−５を形成す
る。該ゲート電極材料には、−船釣に多結晶シリコン薄
膜、あるいはモリブデンシリサイド、あるいはアルミニ
ュウムやクロムなどのような金属膜、あるいはＩＴＯや
５ｎ０２などのような透明性導電膜等を用いることがで
きる。続いて該ゲート電極１−５をマスクとして不純物
元素をイオン注入し、自己整合的に、ソース領域１−６
及びドレイン領域１−７を形成する。前記不純物元素と
しては、Ｎｃｈ　）ランジスタを作成する場合はＰ３あ
るいはＡｓ”をもちい、Ｐｃｈ）ランジスタを作成する
場合はＢ゛等を用いる。不純物添加方法としては、イオ
ン注入法の他に、レーザードーピング法あるいはプラズ
マドーピング法などの方法がある。１−８で示される矢
印は不純物のイオンビームを表している。前記非晶質絶
縁基板１−１として石英基板を用いた場合には熱拡散法
を使うことができる。不純物漬度は、１０１６〜１０２
８ｃｍ−’程度とする。

次に同図（ｅ）に示すように層間絶縁膜１−９を堆積さ
せる。該層間絶縁膜材料としては、酸化膜あるいは窒化
膜などをもちいる。絶縁性が良好ならば膜厚はいくらで
もよいが、数千Ａ〜数μｍ程度が普通である。窒化膜形
成方法としては、ＬＰＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶＤ
法などが簡単である。反応には、アンモニアガスとシラ
ンガスと窒素ガスとの混合ガス、あるいはシランガスと
窒素ガスとの混合ガスなどを用いる。酸化膜形成方法に
ついては以前にのべたのでここでは省略する。続いて、
前記ソース領域１−６及びドレイン領域１−７の不純物
活性化と、前記層間絶縁膜１−９の緻密化の目的で約１
０００°Ｃの熱処理を行う、低温プロセスの場合は、１
０００℃は行わない。

その後、水素プラズマ処理を行う、１−１０は活性度の
高い水素ラジカルを示している。水素プラズマ処理は通
常のプラズマＣＶＤ装置を利用して行うことが出来る６
反応室の中に基板をセットし、該反応室中を水素ガスあ
るいはアンモニアガスで満たす、内圧は１〜３Ｔｏｒｒ
程度とする。

平行平板型の電極であれば１３．５６ＭＨｚの高周波電
圧を印加すれば、容易にプラズマが発生し、活性度の高
い水素ラジカルとなった水素イオンが基板中に導入され
る。誘導結合型の装置でも同様に利用できる。基板温度
は５００℃以下の低温が適当である。その理由は、高温
で水素プラズマ処理を行うと膜中でダングリングボンド
と結合した水素イオンが、再び膜外に放出されてしまう
からである。膜に導入される水素温度が多ければ多い程
結晶粒界に存在するＴｒａｐ密度Ｎｔは少なくなる。Ｎ
ｔが少なくなれば（１）式かられかるように、ＯＮ電流
工。。は大きくなる。続いて、水素アニールやＦＧアニ
ール（フォーミングガスアニール）を行うと、特性のバ
ラツキを低減させることができる。

最後に同図（ｇ）に示すように、前記層間絶縁膜及びゲ
ート絶縁膜にコンタクトホールを形成し、ソース電極１
−１１およびドレイン電極１−１２を形成する。ソース
電極及びドレイン電極の材料としてはアルミニュウムや
クロムやニッケル等の金属材料を用いる。

［実施例２］ ソース電極及びドレイン電極を形成してから水素プラズ
マ処理しても、その効果に対してはなんら問題はない、
第２図にその例を示す、２−１は非晶質絶縁基板、２−
２は多結晶シリコン薄膜、２−３はゲート絶縁膜、２−
４はアルミナ膜、２−５はゲート電極、２−６はソース
領域、２−７はドレイン傾板　２−８は層間絶縁膜、２
−９はソース電極、２−１０はドレイン領域、２−１１
は水素ラジカルを示している。

［実施例３］ ソース及びドレイン電極材料を堆積後水素プラズマ処理
してもよい、第３図にその例を示す、ただしこの場合は
電極材料の膜厚は数千Ａ以下の薄い場合に効果的である
。３−１は非晶質絶縁基板、３−２は多結晶シリコン薄
膜、３−３はゲート絶縁膜、３−４はアルミナ膜、３−
５はゲート電極、３−６はソース領域、３−７はドレイ
ン領域、３−８は層間絶縁膜、３−９は電極材料を示し
ている。これはアルミニュウムやクロムなどの金属を用
いる。続いて水素プラズマ処理を行う、３−１０は水素
ラジカルを示す、その後フォトリソグラフィ法により、
ソース電極３−１１、ドレイン領域３−１２を形成する
。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、水素プラズマ処理に
より薄膜トランジスタ特性がシフトするという従来の方
法による問題点を解決し、きわめて特性の優れた薄膜ト
ランジスタを作成することが可能となる。

アルミナ膜（Ａ１２０３）は、化学的に安定な絶縁材料
である。半導体技術においてＳｉＯ２とは違った意味で
大切な役割を果たす。ＳｉＯ２はシリコン界面にｎ型反
転層を形成したが、Ａｌ２Ｏ３は逆にｐ型反転層を形成
する傾向にある。すなわち、膜の中に含まれる有効な電
荷の符号が逆であると考えることができ、ＳｉＯ２とＡ
ｌ２Ｏ３を適当な膜厚で多層構造として用いることによ
り、界面電荷を実効的に制御することが可能になる。つ
まり薄膜トランジスタのゲート酸化膜として前記ＳｉＯ
２とＡ　１２０３の多層構造を用いることによって、薄
膜トランジスタのスレッシュホルド電圧ｖｔｈを制御す
ることが可能となる。あらかじめＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３
の膜厚を適当な膜厚に設定して薄膜トランジスタを作製
して初期のｖｔｈの値をシフトさせておくことによって
、水素プラズマ処理後の薄膜トランジスタのｖｔｈを適
した値に制御しておく、従って、水素プラズマ処理によ
ってＮチャネル薄膜トランジスタがデプレッション方向
にシフトし、Ｐチャネル薄膜トランジスタがエンハンス
メント方向にシフトするという従来方法の欠点、つまり
、スレッシュホルド電圧の絶対値１ｖｔｈ１が大きくな
るという欠点が改善され、Ｎチャネル薄膜トランジスタ
及びＰチャネル薄膜トランジスタの１　ｖｔｈ　１が低
減され、サブスレッシュホルド領域の立ち上がりが急峻
となる。動作電圧の低電圧化も可能となる。

トラップ密度が減少するので、ソース領域とチャネル領
域あるいはドレイン領域とチャネル領域の接合界面での
トラップを介したリーク電流が低減される。従って、薄
膜トランジスタのＯＦＦ電流が低減される。

フォト工程は全く増えないので、コストアップとはなら
ない。

約７００℃以下の低温プロセスに本発明を応用すること
により、大面積で高性能な半導体装置も実現可能となる
。

本発明を応用すれば、ＯＮ電流が大きく、ＯＦＦ電流が
小さく、　１Ｖｔｈｌが小さくて、サブスレッシュホル
ド領域の立ち上がりが急峻で、信頼性の優れた薄膜トラ
ンジスタを作製することが可能となる。

例えば、アクティブマトリクス基板に本発明を用いると
、ドライバー内蔵高精細パネルが実現する。また、シフ
トレジスタ回路と光電変換素子を同一基板に集積したイ
メージセンサ−に用いれば、高速読み取りや、Ａ３判等
のような大型化や、あるいは、カラー化等に対して大き
な効果が期待できる。駆動電圧の低減もできるので、低
消費電力化にも役立ち、さらには信頼性の向上にも役立
つ。

薄膜トランジスタばかりでなく、ＨＢＴ　（ｈｅｔｅｒ
ｏ　　ｂｉｐｏｌａｒ　　ｔｒａｎｓｉｓｔ。

ｒ）のへテロ界面の界面準位の低減、あるいは、ＰＮ接
合の接合界面準位の低減、などのようなその他の素子の
特性向上のためにも、本発明はきわめて有効な手段とな
る。

実施例では水素添加方法として水素プラズマ法について
述べたが、それ以外の方法、例えば、水素イオン注入法
などの方法にも本発明を応用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）から（ｇ）は、本発明における薄膜トラン
ジスタの工程断面図である。 第２図は、実施例２を説明するための断面図である。 第３図（ａ）から（ｂ）は、実施例３を説明するための
断面図である。 １−３　；　ゲート酸化膜 １−４　；　アルミナ膜 １−１０ｉ　水素ラジカル 以上 出願人　　　　セイコーエプソン株式会社代理人弁理人
　上欄　雅誉（他１名） １−１　；非晶質絶縁基板 １−２　；　多結晶シリコン薄膜 （ａ） （ｂ） （Ｃ） （ｄ） （ｅ） （ｆ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 非晶質絶縁基板上に、多結晶シリコン薄膜を形成する第
   １の工程と、該多結晶シリコン薄膜上に酸化膜を形成す
   る第２の工程と、前記酸化膜上にアルミナ膜を堆積させ
   る第３の工程と、前記多結晶シリコン薄膜に水素を添加
   する第４の工程を、上記の順序により少なくとも有する
   ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。